Przydomowa fabryka: jak roboty umożliwiają tworzenie własnych produktów

Zapomnij o masowej produkcji - kolejny duży produkt może zostać wyprodukowany w Twoim garażu przy pomocy małych robotów.

Przez większą część XX wieku produkcja była domeną przede wszystkim wielkich fabryk, wielkich maszyn i wielkich pieniędzy. Gigantyczne linie produkcyjne tłoczyły samochody, ketchup, czajniki i kevlar. Tworzenie produktu wiązało się z bardzo kosztownym i złożonym procesem oprzyrządowania, kosztem utopionym, który ostatecznie został zwrócony w postaci wielkości sprzedaży możliwej w procesie produkcyjnym.

Porównajmy to z produkcją większości rzeczy przed rewolucją przemysłową. Tak, było kilka bardzo dużych operacji (przychodzi mi na myśl budowa statków i piramidy). Jednak większość prac, takich jak szycie ubrań czy produkcja mleka, wykonywano w chatach, na farmie lub w bardzo małych sklepach kupieckich. To były dawne chałupnictwa.

Te maleńkie chałupnicze gałęzie przemysłu miały wartość, a zwłaszcza samostanowienie rzemieślników tworzących produkty. Aby coś osiągnąć, nie musieli polegać na gigantycznych korporacjach, ogromnych fabrykach ani grupach fokusowych. Z drugiej strony złożoność i możliwości wyrobów wytwarzanych w chałupnictwie były z konieczności ograniczone narzędziami i zasobami, do których dostęp mieli drobni kupcy i rodziny.

Mniej więcej w ciągu ostatniej dekady nastąpił mały powrót do przemysłu chałupniczego. Tylko tym razem roboty pomagają. Wynik: prototypy, pojedyncze produkty i krótkie serie produkcyjne wytwarzają produkty tworzone przez pojedyncze osoby i małe grupy, a jednocześnie posiadające możliwości, jakość i złożoność produktów, które wcześniej wymagały inwestycji milionów dolarów, dużych fabryk i bardzo dużej siły roboczej .

W tym artykule przyjrzymy się produkcji komputerów stacjonarnych i temu, jak zespół małych robotów umożliwia każdemu tworzenie własnych produktów przy początkowej inwestycji, która często jest niższa niż koszt taniego używanego samochodu.

Rozwój produkcji i przemysłu

Produkcja wielkoseryjna jako aktywny element społeczeństwa ma swoje korzenie przede wszystkim w rewolucji przemysłowej, która miała miejsce pod koniec XVIII i na początku XIX wieku. W swej istocie rewolucja przemysłowa była tym historycznym momentem, w którym podstawowe narzędzia pracy przekształciły się z organicznych na mechaniczne. Innymi słowy, zamiast zwierząt i ludzi kierujących działaniami rotacyjnymi, które przekształcały surowce w części i gotowe wyroby, pracę wykonały maszyny.

Początkowo umożliwiły to dwa kluczowe czynniki: lepsza metalurgia i silnik parowy. Mocniejsze metale (głównie stal i żelazo) umożliwiły maszynom wytrzymanie ciśnień i obciążeń niezbędnych do napędzania procesów. Silnik parowy zapewniał moc, często znacznie przekraczającą tę, którą mogło osiągnąć kilka koni.

Te dwie innowacje doprowadziły do powstania dużych fabryk, w których znajdowały się duże maszyny, które tną, tłoczą, mielą i stapiają surowce w formy nadające się do wykorzystania w produktach. Silnik parowy w połączeniu z solidną metalurgią zaowocował także transportem kolejowym, który umożliwił transport towarów na dalsze odległości, szybciej i w większej objętości.

Technologie te zmieniły także pracę w rolnictwie, gdzie innowacje w technikach i maszynach rolniczych, takie jak siewnik i młocarnia, zwiększyły produktywność rolnictwa. Pozwoliło to mniejszej liczbie osób produkować więcej żywności, uwalniając siłę roboczą dla sektora przemysłowego.

Gdy wkroczyliśmy w XX wiek, zaczęliśmy wykorzystywać energię elektryczną i dostarczać ją do biur i domów. Silnik spalinowy wyparł silnik parowy w pojazdach, a reszta to już historia.

Kluczową cechą rewolucji przemysłowej - i fabryk, które dzięki niej umożliwiły - była skala. Wszystko było duże. Naprawdę, naprawdę duży. Na początku fabryki wraz z liniami produkcyjnymi zatrudniały ogromną liczbę ludzi do obsługi maszyn i montażu części w komponenty, a komponentów w produkty.

Wraz ze wzrostem kosztów siły roboczej od połowy do końca XX wieku wiele amerykańskich firm starało się obniżyć koszty i zlecać produkcję do krajów, w których koszty utrzymania były niższe. Pod koniec XX wieku i w nowym tysiącleciu roboty zastąpiły większość pracy fizycznej, która stawała się coraz droższa na całym świecie. Zewnętrzne fabryki i ich bardziej doświadczeni technicy pozostają głównie poza Stanami Zjednoczonymi.

Jak tradycyjna produkcja może zdusić innowacje

Jednym z największych wyzwań związanych z tradycyjną produkcją jest to, że nie można zbudować tylko jednego. Wyposażenie fabryki, nawet tej sterowanej robotem, do produkcji nowych części wymaga ogromnych wydatków i wysiłku. Niestety oznacza to, że rozpoczęcie pracy z nowym produktem może być bardzo, bardzo kosztowne.

To był problem, z którym borykałem się z moim kumplem Jimem w latach 90-tych. Oboje jesteśmy inżynierami i zdecydowaliśmy, że świat potrzebuje prostego, programowalnego robota, którym można sterować za pomocą komputera PC. Aby wykonać nasz prototyp, zdemontowaliśmy sterowany radiowo czołg z zabawkami, podłączyliśmy radio do komputera i podłączyliśmy przełączniki chwilowe jako czujniki. Zanim byliśmy gotowi zademonstrować go inwestorom, był on w stanie samodzielnie zamapować pomieszczenie. Całkiem zaawansowana technologia jak na erę Windows 95.

Ale napotkaliśmy problem. Produkcja tworzyw sztucznych wymagała form odlewniczych, nawet jeśli potrzebna była tylko ograniczona liczba jednostek. W końcu działo się to w czasach przed drukiem 3D. Te formy, jednorazowe wzory użyte do odlania korpusu urządzenia, kosztowały ponad 100 000 dolarów za sztukę, a potrzebowaliśmy co najmniej czterech z nich. Ten koszt, koszt oprzyrządowania, zanim w ogóle zbudowaliśmy jedną jednostkę, był zbyt wysoki i stwarzał zbyt duże ryzyko. Dlatego nigdy nie zajęliśmy się branżą robotyki.

Swoją drogą, gdybyśmy mogli zamówić oprzyrządowanie, jego wykonanie zajęłoby od sześciu miesięcy do roku. Tyle czasu zajmowało ręczne frezowanie tych wzorów, zwłaszcza gdy było stosunkowo niewielu mechaników posiadających umiejętności niezbędne do tworzenia prototypowych form. A gdybyśmy popełnili jakikolwiek błąd w naszym projekcie, musielibyśmy wydać setki tysięcy dolarów więcej i czekać kolejne sześć miesięcy na rewizję.

Tak wyglądał świat produkcji i prototypowania przed łatwą dostępnością stacjonarnych robotów produkcyjnych.

Gdybyśmy dzisiaj robili ten projekt, moglibyśmy to zrobić za pomocą Arduino za 20 dolarów, Raspberry Pi za 50 dolarów i drukarki 3D za 200 dolarów. Moglibyśmy produkować w małych ilościach, po prostu dodając więcej drukarek 3D. Za cenę znacznie niższą niż iPhone 15 Pro Max moglibyśmy wyprodukować 100 robotów i zrobić to w ciągu kilku tygodni - a nie pół roku czy roku.

Kickstarter, który pomaga małym innowatorom zbierać pieniądze na nowe produkty i projekty, wymaga, aby każdy projekt, który „obejmuje produkcję i dystrybucję czegoś złożonego, na przykład gadżetu, pokazał sponsorom prototyp tego, co tworzą”. W 1995 roku Jim i ja w ogóle nie moglibyśmy spełnić tego wymagania, ponieważ same koszty form byłyby zaporowe. Ale w przypadku drukarek 3D taki prototyp kosztowałby zaledwie kilka 100 dolarów.

Początek robotów do produkcji komputerów stacjonarnych

Tradycyjne warsztaty mechaniczne od lat podupadają, zwłaszcza w USA. Częściowo wynika to z eksportu umiejętności do innych krajów, a częściowo z pojawienia się nowocześniejszych technologii, takich jak produkcja oparta na robotach. Choć roboty z pewnością odmieniły duże fabryki, umożliwiają także tworzenie bardzo wyrafinowanych obiektów produkcyjnych w sypialniach gościnnych, rodzinnych garażach i przydomowych szopach.

Większość zrobotyzowanych urządzeń produkcyjnych na mniejszą skalę zmieści się na biurku, dlatego nazywamy tę kategorię produkcją komputerów stacjonarnych. Tak naprawdę większość drukarek 3D na poziomie prosumenckim zmieści się na rogu biurka.

Istnieją dwie główne kategorie narzędzi do produkcji komputerów stacjonarnych: addytywne i subtraktywne. Dodatek buduje obiekty poprzez dodanie materiału, podczas gdy odejmowanie odcina materiał, aby utworzyć obiekt.

Najpopularniejszą technologią wytwarzania przyrostowego jest druk 3D. Większość drukarek 3D wykorzystuje plastik, ale są też drukarki 3D, które wykorzystują metal, beton, a nawet czekoladę. Dzięki drukowi 3D obiekty są budowane warstwa po warstwie. Typowa drukarka 3D wykorzystuje szpulę żarnika (plastikową nić), podgrzewa ten żarnik i dociska go do platformy roboczej lub wcześniej wytłoczonych warstw. Powstałe warstwy łączą się ze sobą, tworząc gotowy obiekt z tworzywa sztucznego.

Jeśli chodzi o technologię subtraktywną, mamy na myśli maszyny, które usuwają materiał, zwykle poprzez cięcie lub szlifowanie. CNC jest jedną z takich maszyn. Przecina drewno lub metal zgodnie z instrukcją.

CNC oznacza komputerowe sterowanie numeryczne i chociaż termin „CNC” zazwyczaj odnosi się do jednego typu maszyny, wszystkie urządzenia do produkcji komputerów stacjonarnych korzystają z komputerowego sterowania numerycznego, mimo że wiele z nich (takich jak drukarki 3D i przecinarki do winylu) nie nazywa się CNC.

W tradycyjnych fabrykach jednym z najpotężniejszych zastosowań narzędzi do produkcji komputerów stacjonarnych jest używanie ich do tworzenia przyrządów i osprzętu do produkcji. Wyobraź sobie, że masz doświadczonego inżyniera w Sztokholmie, ale zakład produkcyjny w Shenzhen.

Jeśli przed produkcją sterowaną komputerowo chciałeś dostarczyć przyrząd zaprojektowany przez inżyniera w Sztokholmie do hali produkcyjnej w Shenzhen, musiałbyś go fizycznie spakować i wysłać. Może to być nie tylko kosztowne i powolne, ale także nie pozwala na szybką iterację. W przypadku maszyn CNC lub drukarek 3D plik projektu można przesłać pocztą elektroniczną, wydrukować lub wyciąć przyrząd na miejscu, wyniki testów zwrócić inżynierowi, a następnie zaprojektować nową wersję i odesłać do fabryki - a wszystko to w ciągu kilku godzin.

Jak wykorzystuję moją armię maleńkich robotów fabrycznych

Moja żona i ja od dawna pracujemy z domu i przeznaczyliśmy części naszego domu na biura, cztery oddzielne lokalizacje studia filmowego, warsztat, przestrzenie do rękodzieła i wspaniałe laboratorium. Aby dać Ci wyobrażenie o możliwościach tych urządzeń, opiszę, jak korzystałem z nich w projektach.

Dla mnie prawdziwą siłą jest to, że możesz zaprojektować projekt w programie CAD. Chociaż każdy program CAD wymaga nauki, jeśli potrafisz utworzyć program PowerPoint, masz podstawowe umiejętności potrzebne do rozpoczęcia projektowania 3D. Ponieważ moje umiejętności opierają się znacznie bardziej na obsłudze komputera, a umiejętności warsztatowe są w najlepszym wypadku podstawowe, znacznie łatwiej jest mi polegać na robotach produkcyjnych, które wykonują ciężką pracę.

W sumie w ciągu siedmiu lat, odkąd redaktor naczelny ZDNET zachęcił mnie do rozpoczęcia przygody z drukiem 3D, zaprojektowałem i zbudowałem 176 projektów. Oczywiście nie mamy czasu na przeglądanie ich wszystkich, więc przyjrzymy się pokrótce niektórym z moich ulubionych i pokażemy, w jaki sposób każdy z robotów pomógł w ich realizacji, zaczynając od drukarek 3D.

Drukarki 3D: mam dwa rodzaje drukarek 3D: te, które nakładają warstwy żarnika w celu zbudowania obiektu, oraz te, które wykorzystują światło do utwardzania żywicy, które następnie budują obiekty warstwa po warstwie.

Używałem drukarek 3D z włóknami do wielu różnych projektów. W ramach jednego z moich pierwszych projektów zbudowałem uchwyt, który będzie mocował piloty z tyłu telewizora. Zbudowałem dla mojej żony uchwyt na wałek do ciasta, który montowany jest na półkach kuchennych. Zbudowałem flagę skrzynki pocztowej, aby poinformować naszego przewoźnika pocztowego, kiedy odebrać pocztę. Zbudowałem niestandardowe wsporniki do przechowywania, aby dodać półki w moim warsztacie.

Zbudowałem specjalne wsporniki do mojego studia nagraniowego. Zaprojektowałem, a następnie wyprodukowałem ponad 100 stojaków dla lalek dla firmy zajmującej się wzorami ubranek dla lalek mojej żony. W tej chwili tworzę niestandardowe adaptery do odsysania pyłu do każdego z moich narzędzi.

Nie używam aż tak często drukarek żywicznych. Tworzą mniejsze obiekty, ale ze znacznie większą szczegółowością. Jednym z ich największych zastosowań jest tworzenie miniaturowych figurek do gier. Ponieważ tego nie robię, tak naprawdę nie miałem z nich większego pożytku, z wyjątkiem uczenia się o nich i testowania ich pod kątem pracy.

Maszyna CNC: mam jedną małą maszynę CNC wielkości drukarki 3D. Mam maszynę o powierzchni około 4 stóp kwadratowych. To ten, którego używam najczęściej. Ta ostatnia maszyna wykorzystuje wirującą końcówkę tnącą, która usuwa materiał. Do tej pory wykorzystano go w trzech projektach. Użyłem go do zrobienia wysuwanej szuflady na półkę. Użyłem go również do zrobienia czterech identycznych pudełek do przechowywania części. Następnie wykorzystałem go do zrobienia regału do przechowywania materiałów rzemieślniczych. Każdy z tych dwóch ostatnich projektów wymagał precyzji wykraczającej poza moje umiejętności obróbki drewna, ale CNC po prostu wykonało je wsadowo przy niewielkim lub żadnym wysiłku.

Wycinarka laserowa: Wycinarka laserowa tnie za pomocą lasera. W rzeczywistości tnie drewno, plastik i skórę do grubości około 1/4 cala. Graweruje na szerokiej gamie materiałów, w tym na metalu i łupku. Użyłem go do zrobienia podstawek pod prezenty, znaków biurowych dla moich redaktorów oraz wielu etykiet do przechowywania narzędzi i części. W pierwszych dwóch użyłem drewna. Do etykiet użyłem plastikowego arkusza, który był niebieski na górze i biały na dole, co pozwoliło mi stworzyć białe litery na niebieskim tle.

Przecinarka do winylu: Rzemieślnicy mogli słyszeć o Cricut, sterowanym komputerowo urządzeniu, które prowadzi ostrze za pomocą do cięcia papieru, tkanin, skóry i winylu. Jest często używany w tworzeniu znaków. Moja żona używa go do tworzenia niestandardowych kartek i tworzenia okładek notesów.

Każde z tych urządzeń wykorzystuje komputer do przesuwania głowicy przetwarzającej w lewo i prawo, a czasem w górę i w dół. Różnica polega na tym, czy ta głowica przetwarzająca wytłacza stopione tworzywo sztuczne, tnie nożem, czy miele obracającym się ostrzem.

Następnie zwrócę uwagę na kilka osób, które założyły pełnoprawną działalność produkcyjną w swoich garażach lub szopach przydomowych.

Jak majsterkowicze budują małe fabryki w swoich domach i garażach

Istnieje wiele innych maszyn wykonujących wiele innych rodzajów operacji sterowanych komputerowo. Na przykład inżynier Pete Rondeau używa CNC do wycinania metalowej obudowy sterownika, a także korzysta z maszyny, która wybiera i umieszcza bardzo małe elementy elektryczne na płytce drukowanej. Jego przestrzeń produkcyjna o powierzchni 150 stóp kwadratowych to szopa przydomowa.

Andy Bird używa maszyny CNC w swoim garażu na dwa samochody do wytwarzania przedmiotów, które sprzedaje na pokazach rzemiosła i dla niestandardowych klientów. W tym filmie pokazuje, jak za pomocą swojej maszyny CNC wyciął 87 palaczy bourbona (urządzenie, które napełnia bourbon aromatyzowanym dymem). Użył także lasera do wygrawerowania mapy Kentucky na każdym palaczu.

Travis Lathrop to inżynier mechanik, który podjął bardzo trudne wyzwanie: zaprojektować adapter odpylający do piły ukosowej. Piły ukośne wyrzucają ogromną ilość trocin. Każda marka i model piły ukosowej jest inna i każda na swój sposób wyrzuca kurz. Lathrop wykorzystał CAD i drukarkę 3D, aby rozwiązać ten problem i sprzedawał adaptery drukowane 3D użytkownikom pił ukośnych. W momencie kręcenia tego filmu właśnie kupił swoją dziesiątą drukarkę 3D. Jego drukarki były rozproszone po całym domu. Od tego czasu wynajął biuro i tam prowadzi swoją stale rozwijającą się drukarnię.

Sam Clark zbudował gospodarstwo w Północnej Karolinie, gdzie prowadzi swój kanał SamCraft na YouTube z szopy na swojej posiadłości. Jednym z jego bardziej popularnych produktów jest zestaw grawerowanych podkładek z łupka. W tym filmie pokazuje, jak używa wycinarki laserowej do budowy przyrządu do grawerowania podstawek, a następnie pokazuje, jak używa lasera do grawerowania samych podstawek.

Oczywiście CNC, wycinarki laserowe i drukarki 3D to nie jedyne roboty sterowane komputerowo, które możesz ustawić w garażu, aby rozpocząć działalność produkcyjną. Ale stały się dość niedrogie, stosunkowo łatwe w konfiguracji, zużywają energię elektryczną w gospodarstwie domowym i mogą realizować bardzo duże projekty.

Demokratyzacja środków produkcji

Nieco ponad sto lat temu budowanie fabryk i uruchamianie przemysłu wymagało bogactwa „baronów rabusiów”, takich jak John D. Rockefeller (przemysł naftowy), Andrew Carnegie (przemysł stalowy) czy Cornelius Vanderbilt (kolej).

Zaledwie garstkę ludzi było stać na budowę i rozmieszczenie narzędzi, fabryk i infrastruktury, co z kolei oznaczało, że mieli ogromny wpływ na siłę roboczą, która wykorzystywała te narzędzia pracy do tworzenia towarów i usług.

Oczywiście duże fabryki nadal istnieją. Przed pandemią Foxconn zatrudniał 200 000 pracowników tylko przy produkcji iPhone'ów, a to stanowiło zaledwie połowę światowej podaży iPhone'ów. Odkąd pandemia weszła w bardziej endemiczną fazę, powoli zatrudniają ponownie pracowników, a od tego czasu Apple przeniosło część swojej produkcji do innych krajów.

Jednak, jak widzieliśmy, obecnie możliwa jest również produkcja masowa przy użyciu jednego lub dwóch ludzi i kilku robotycznych pomocników.

Kiedyś było tak, że wiedza dotycząca wykonywania skomplikowanych zadań była trzymana w pobliżu kamizelki wśród gildii i rzemieślników. Jeśli nie byłeś praktykantem u kogoś, kto ma odpowiednie umiejętności, nie miałeś szansy nauczyć się, jak wykonywać niektóre z bardziej złożonych zadań wymaganych do tworzenia rzeczy. Jednak w YouTube wiedza ta również została zdemokratyzowana i jeśli chcesz dowiedzieć się, jak zrobić niemal wszystko, wystarczy, że wyszukasz odpowiedni ciąg znaków.

A więc jesteśmy. Specjalistyczna wiedza nie jest już zamknięta. Zrobotyzowana produkcja umożliwia prototypowanie, a następnie wytwarzanie przedmiotów tak dobrych, jak wszystko, co zostało wyprodukowane w znacznie większych fabrykach. Jeśli chodzi o koszty finansowe, bariera wejścia jest niska.

Teraz potrzebne są tylko umiejętności projektowania, motywacja, kreatywne myślenie i determinacja. To otwiera wszelkie możliwości przed każdym, kto ma wolę odniesienia sukcesu.

Co więc będziesz produkować? Daj nam znać w komentarzach poniżej.

Możesz śledzić moje codzienne aktualizacje projektu w mediach społecznościowych. Pamiętaj, aby zapisać się do mojego cotygodniowego biuletynu z aktualizacjami na Substack i śledzić mnie na Twitterze pod adresem @DavidGewirtz, na Facebooku pod adresem Facebook.com/DavidGewirtz, na Instagramie pod adresem Instagram.com/DavidGewirtz i na YouTube pod adresem YouTube.com/DavidGewirtzTV.